沥青路面结构设计和力学性能分析中，沥青混合料模量是关键设计参数，它的取值直接影响路面结构受力分析结果[1-5]。随着JTG D50多指标沥青路面设计方法的实施，以及法国、美国等沥青路面设计方法在我国的应用，沥青混合料或路面结构层的模量取值成为路面设计或性能评价的关键要素[6-9]。
沥青混合料动态模量试验主要包括美国ASTMD3497沥青混合料单轴压缩动态模量标准试验法[10]、欧洲CEN标准[11]及AASHTOTP31间接拉伸试验测试法[12]、法国沥青混合料设计指南两点弯拉动态模量测试法[13]、动三轴压缩模量测试方法[14，15]和梁试件的弯拉模量测试方法[16]等。黄优等通过法国梯形梁试验仪和简单性能试验机开展了沥青混合料梯形梁弯拉动态模量及压缩模量试验，提出动态模量受荷载频率、试验温度及应变水平影响[17]。熊子佳等通过间接拉伸试验研究了应力水平和试验温度对沥青混合料低温回弹模量的影响，并得到了间接拉伸回弹模量与低温小梁弯曲试验的弯曲劲度模量的定性关系[18]。周梓豪等对比了四点弯曲和梯形梁两种弯拉模量试验方法对沥青混合料动态模量的影响[19]。刘胜等通过单轴压缩动态模量试验，比较了加载波形、试件高度、加载间歇时间和位移传感器的安装位置对沥青混合料动态模量的影响，建立了两种高度的圆柱体试件动态模量的关系方程[20]。
可见，沥青混合料动态模量不仅受试件类型的影响，还与试验加载模式有重要的关系。为了评价加载模式及试件类型对沥青混合料动态模量的影响，选取SMA-m13沥青混合料作为研究对象，采用美国沥青混合料性能试验仪(Asphalt Mixture Performance Tester，简称AMPT)和法国梯形梁试验机(Twopoint Bending Tester，简称2PT)，进行压剪和弯拉两种受力模式下的动态模量试验，分析其在不同试验温度和不同荷载频率下的动态模量和相位角，为沥青混合料动态模量及路面结构设计参数选取提供参考。
混合料级配及试验方案
SMA-m13混合料设计
SMA-m13沥青混合料选用玄武岩集料和SBS改性沥青，掺加15%生石灰粉的石灰岩矿粉和木质素纤维，矿料合成级配见表1，zui佳沥青用量为0%，马歇尔试验体积指标见表2。
试验方案
梯形梁两点弯拉动态模量试验
两点弯拉动态模量试验是一种采用悬臂弯曲方法测量沥青混合料劲度模量的试验方法。根据EN标准[11]采用轮碾法成型试件，切割成梯形梁试件的尺寸和加载方式见图1。将正弦力F＝F0sin(ωt)或正弦挠度z＝z0sin(ωt)施加在粘在刚性底盘支架上的梯形梁顶部。施加的力F0或挠度z0使梯形梁顶部产生的zui大应变小于50×10^-6，使梯形梁在整个试验过程中一直处于线黏弹性区域。在F0，z0和相位角φ的基础上，计算不同温度和频率下的劲度模量。
圆柱体试件动态模量试验
按美国ASTMD3497试验方法，借助沥青混合料性能试验仪(AMPT)对试件施加偏移正弦波或半正矢波轴向压应力荷载，在不同温度和不同频率下对标准尺寸D100试件(直径100mm，高度150mm)进行单轴压缩动态模量试验。
圆柱体试件采用旋转压实仪成型后取芯切割制成，见图2。试验时，采用侧面法量测竖向位移，将位移传感器安置于试件侧面中部，沿圆周等间距安放3个。调节位移传感器，使其与试件端面垂直，测量试件中段的压缩变形，传感器安设见图3。
试验方案
弯拉受力模式下的梯形梁两点弯拉动态模量试验温度为10℃、15℃、20℃、30℃和40℃共5个温度，每一档温度下，在线黏弹性应变范围内固定应变水平，依次施加25Hz、20Hz、10Hz和5Hz的连续正弦波荷载。
压剪受力模式下的圆柱体试件单轴压缩动态模量设置10℃、15℃、20℃、30℃和40℃共5个温度，由低温向高温依次进行试验，每个温度依次施加25Hz、20Hz、10Hz和5Hz的偏移正弦波轴向压应力，测试圆柱体试件沥青混合料的动态模量。
试件类型对沥青混合料动态模量和相位角的影响分析
梯形梁两点弯拉动态模量
采用法标劲度模量测试方法，SMA-m13沥青混合料两点弯拉动态模量试验结果见图4，相位角结果见图5。
(1)由图4(a)可以看出，在不同荷载频率下两点弯拉动态模量随温度升高而减小。当温度低于20℃时，两点弯拉动态模量随温度的降低而zeng大，基本呈线性关系变化；当温度高于20℃时，模量随温度升高而缓慢减小。在高温环境条件下，作为胶结料的沥青胶泥或玛蹄脂的劲度显著降低，受到荷载应力作用时，混合料的黏滞性凸显，回弹能力减弱，表现为动态模量的降低。
当荷载频率较低时，混合料动态模量值差异较大，而在较高荷载频率(如20Hz和25Hz)时其模量较为接近，这主要是因为随着荷载频率的增加，荷载作用时间减少，根据时间—温度置换原理，沥青混合料的黏性减弱、弹性增强，这也是黏弹性材料zui显著的特征之一，在高频荷载作用下，沥青混合料更多表现出其线弹性的一面。
由图4(b)可以看出，在不同温度下，随荷载频率的增加混合料模量也随之呈线性增长，在中低温环境中表现zui为明显。在高温环境中随荷载频率的增加，模量增长的速度减缓，且模量值也相对较低，这依然说明在高温环境中混合料黏滞性特性占有主导地位。
(2)相位角反映沥青混合料在荷载应力作用下一个周期内应变滞后于应力的相位差[21]，它从黏性角度表征了混合料在荷载作用下抵抗变形的能力[22]。由图5可以看出，在不同荷载频率下，梯形梁试件相位角均随温度升高而zeng大，但高频和低频荷载作用时相位角随温度的变化不同，在高频荷载作用下相位角随温度增加呈指数增长，而低频荷载作用时，随温度增加相位角缓慢增长，且在较高温度时，相位角反而减小，说明在较小的荷载频率或较高温度环境下，沥青混合料的黏性性质增加，黏塑性特征更加明显。
圆柱体试件沥青混合料单轴压缩动态模量
对圆柱体沥青混合料试件，根据单轴压缩动态模量试验方法和上述试验方案，对D100标准尺寸试件进行压剪模式下的单轴压缩动态模量试验，试验结果见图6和图7。
由图6和图7可以看出，圆柱体试件压缩动态模量随温度及荷载频率的变化与两点弯拉动态模量基本一致，但在不同荷载频率下，相位角随温度的变化规律与两点弯曲试验不同。无论是低频荷载作用还是高频荷载作用，随着温度的升高，相位角均逐渐zeng大，且增长的速率越来越小，在高温环境中，荷载频率对相位角的影响很小，相位角即应变滞后于应力的相位差更多受沥青胶结料黏滞作用的影响。
加载模式对沥青混合料动态模量和相位角的影响分析
加载模式对沥青混合料动态模量的影响
为了进一步分析加载模式对沥青混合料试件动态模量的影响，分别在25Hz荷载频率和20℃环境下，分析弯拉受力模式下梯形梁弯拉动态模量和压剪受力模式下圆柱体试件单轴压缩动态模量的变化，对比分析结果见图8。
由图8(a)可知，在25Hz荷载频率下，梯形梁和圆柱体试件动态模量随温度变化趋势基本一致，但是模量值不同，尤其当温度低于25℃时，两点弯曲试验测得的梯形梁弯拉动态模量较圆柱体试件的压缩动态模量小8.1%~10.4%，可见加载模式对沥青混合料动态模量的影响较大，进行路面结构分析时须根据实际受力状况选择合适的动态模量测试方法。由图8(b)可以看出，在20℃环境下，梯形梁和圆柱体试件模量随荷载频率的变化趋势也基本一致，两点弯拉动态模量较单轴压缩动态模量小10.4%~12.9%。
加载模式对沥青混合料相位角的影响
为分析荷载频率和温度对弯拉和压剪两种受力模式下梯形梁和圆柱体试件相位角的影响，分析统计了在较高和较低荷载频率、中低温和较高温度条件下，梯形梁和圆柱体试件相位角的变化。相位角随影响因素的试验数据统计结果分别见图9和图10。
(1)由图9(a)可以看出，梯形梁和圆柱体试件受高频(25Hz)荷载作用时，当温度介于10~20℃时相位角基本一致，但随着温度的升高，圆柱体试件相位角基本呈线性缓慢增长，而梯形梁两点弯曲试验相位角呈指数函数增长，这是因为圆柱体试件顶部承受压剪力作用，压剪状态下试件受矿料骨架的嵌挤作用影响，应力的传递基本呈线性扩散；而两点弯曲试验时梯形梁处于弯拉状态，此时沥青胶结料的作用因素更大，所以随温度升高，相位角急速增加。
而在较低荷载频率(5Hz)作用时，见图9(b)，梯形梁和圆柱体试件的相位角均随温度的升高而较缓慢增加，当温度低于20℃时，两点弯曲试验得到的相位角略小于弹性压缩试验得到的相位角，但当温度继续升高时，两点弯曲试验得到的相位角逐渐大于弹性压缩试验得到的相位角，说明在较低荷载频率和较高温度时，相当于荷载作用时间变长，混合料的黏滞性特性表现更明显。
(2)由图10可以看出，在20℃时梯形梁和圆柱体试件相位角均随频率的增加而减小，圆柱体试件呈线性下降趋势，而梯形梁下降趋势逐渐减缓，说明梯形梁试件承受弯拉作用时，荷载的传递同时受胶结料和混合料矿料骨架的影响，混合料表现出部分非线性应变依赖特性。当梯形梁和圆柱体试件在40℃环境中进行动态模量试验时，梯形梁两点弯曲试验相位角随荷载频率的变化与圆柱体弹性压缩模量试验截然不同，随频率增加梯形梁两点弯曲试验相位角呈指数增长，而圆柱体试件变化较小，这是由于高温环境中梯形梁试件在弯拉受力模式下，沥青胶结料的黏性特性贡献更多。
结语
(1)在弯拉和压剪受力模式下，梯形梁和圆柱体试件沥青混合料动态模量随温度和荷载频率的变化基本一致，随温度升高模量减小，随荷载频率的增加模量zeng大。在相同试验条件下，梯形梁两点弯曲试验测得的弯拉动态模量较圆柱体试件单轴压缩动态模量小10%左右。
(2)在弯拉或压剪受力模式下，梯形梁和圆柱体试件沥青混合料相位角随温度和荷载频率的变化有所差异。在中低温环境或较低荷载频率下，两点弯曲动态模量试验和单轴压缩动态模量试验的相位角相差较小；在较高荷载频率或较高温度时，两点弯曲动态模量试验和单轴压缩动态模量试验的相位角差异显著，梯形梁两点弯曲试验相位角随温度的升高或荷载频率的增加呈指数zeng大，而圆柱体试件变化较小。
(3)压剪状态下圆柱体沥青混合料试件荷载响应受矿料骨架的嵌挤作用影响显著，荷载应力基本呈线性传递；弯拉状态下梯形梁混合料试件荷载响应受沥青胶结料的影响更大，黏滞性特征显著。
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全文完 发布于《公路》2021年7月 文章转载于“沥青路面”公众号
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